美国云和气溶胶星载激光雷达综述

气溶胶的探测,尤其是全球范围内气溶胶的探测,不仅对预测未来气候的变化有重要帮助,而且可以对遥感图像的大气校正提供重要大气参数,而星载激光雷达则是实现全球气溶胶探测的最有效的手段。美国是星载激光雷达的先行者,在气溶胶探测方面,它先后实施了LITE和CALIPSO两项计划。LITE试验的成功,验证了天基激光雷达的可行性,而CALIPSO上激光雷达CALIOP的在轨正常运行,则实现了星载激光雷达的应用。文章着重介绍和评述了美国云和气溶胶星载激光雷达的发展、收发装置以及观测结果等。     

星载大气探测激光雷达技术与应用

本文对国内外星载大气探测激光雷达的原理、技术和应用等情况进行了分析和归纳。星载大气探测激光雷达的发展,是科学需求、探测理论、硬件技术、应用能力波浪式推动和迭代的过程,具有弱周期性。在云和气溶胶方面,多波长、高光谱分辨结合偏振的综合探测将为科学研究提供更精细的微观信息,而小型化微脉冲激光雷达则为星座探测提供了技术基础。在大气成分方面,积分路径差分吸收技术将能提供更精确的数据。激光雷达是对其他遥感系统的有效补充,更加注重廓线探测、空间分辨和测量精度,在水平覆盖、探测效率等方面存在天然不足,激光雷达与其他遥感手段结合,才能构建更加科学的观测体系,为科学研究和遥感应用提供更有力的支撑保障。     

大气环境监测卫星激光雷达技术

星载激光雷达是高精度测量全球大气CO2柱浓度和气溶胶垂直廓线的重要手段，大气环境监测卫星大气探测激光雷达(ACDL)在一套激光雷达中集成了2种探测体制，采用1 572 nm积分路径激光差分吸收方法测量全球CO2柱浓度，采用532 nm高光谱探测(HSRL)方法测量气溶胶和云的垂直廓线，均为国际首次在星载平台成功验证，是国际首个星载CO2探测激光雷达和国际首个高光谱气溶胶探测激光雷达。在国际已发射的星载激光雷达中，ACDL激光雷达是探测体制最全、波长最多、能量最高、频率最稳和精度最准的激光雷达，实现了创新跨越。大气探测激光雷达在轨连续工作，首次获得了全天时精度优于1 ppm的全球CO2柱浓度、精度优于20%的气溶胶廓线等遥感数据。本文介绍了ACDL激光雷达的工作原理、系统参数以及相关的定标测试结果。     

大气探测激光雷达校飞样机研制与飞行验证

星载激光雷达是高精度测量全球温室气体和气溶胶垂直廓线的重要手段，大气环境监测卫星大气探测激光雷达(ACDL)在国际首次采用激光积分路径差分吸收技术测量全球CO2柱浓度，采用532 nm高光谱探测技术测量气溶胶和云的廓线。星载激光雷达载荷研制期间，同步研制一套主要功能一致的机载大气探测激光雷达校飞样机，并开展机载飞行试验，获取了大量飞行试验及其对比数据，提供了机载平台真实的数据源，对于优化ACDL激光雷达系统参数和研究星载数据反演算法至关重要。最后在机载飞行平台下，验证了优于1 ppm的CO2柱浓度测量精度和优于15%的气溶胶测量精度。未来利用该机载样机可以进一步开展星地对比验证。     

星载云、气溶胶遥感雷达技术现状与发展趋势

大气云与气溶胶在全球气候和环境变化过程中扮演重要的角色。星载云、气溶胶遥感技术主要包括成像光谱仪等被动探测技术、激光雷达技术以及毫米波雷达技术。相比被动遥感技术,激光雷达、毫米波雷达可探测云、气溶胶垂直剖面,获取云、气溶胶三维空间分布信息。首先介绍星载云、气溶胶遥感技术特点与优势,接下来介绍星载云、气溶胶遥感激光雷达与毫米波雷达技术现状,最后给出星载云、气溶胶遥感雷达技术的发展趋势。     

星载激光雷达森林探测进展及趋势

森林是陆地上组成结构最复杂的生态系统,星载激光雷达兼具高垂直分辨率的优势和大范围数据获取的特点,在大区域尺度的森林参数定量反演方面具有独特的优势。从全波形激光雷达、光子计数激光雷达、成像激光雷达的技术特点、数据处理和森林参数提取等方面,总结了国内外森林探测激光雷达卫星载荷的发展、参数设置及应用潜力,以服务我国星载激光雷达森林探测系统的建设和发展。结合激光雷达辐射传输模型,探讨适合森林探测的激光雷达传感器参数方案,并以ICESat卫星的地球科学测高系统(GLAS)和先进地形激光测高系统(ATLAS) 数据为例,探讨星载激光雷达的森林参数反演方法,最后总结梳理了现有星载载荷的优劣并给出后续载荷发展的建议。     

大气环境监测卫星在生态环境行业应用分析

大气环境监测卫星是首颗生态环境领域大气环境监测专用卫星。卫星搭载了5台有效载荷，可实现CO2主动激光探测和大气细颗粒物的主被动结合探测，以及对气态污染物、云和气溶胶、水环境、自然生态等要素大范围、全天时综合监测，为生态环境遥感监管提供重要的数据支撑。本文从卫星载荷特点及数据获取能力出发，分析了其在生态环境行业的应用能力，并从大气环境、水环境和生态环境监测3个方面，结合在轨测试情况对卫星的应用能力进行详细阐述，可为开展大气环境监测卫星遥感应用提供参考。     

星载激光雷达高精高稳探测卫星系统保证技术

激光雷达探测精度高,具备全天时工作和垂直探测能力,在大气环境天基遥感领域应用广泛。基于CO_2柱线浓度激光遥感探测原理,分析了积分路径差分吸收星载激光雷达测量系统的激光波长、能量精度和稳定性及光轴指向精度等关键指标要求和功能模块配置,重点开展了星载激光雷达光机头部稳定安装、良好机热环境保障及星敏载荷一体化布局等整星层面系统设计保证,仿真结果初步表明设计方案可行。同时,提出了激光雷达波长、能量精度及稳定性实时监测、卫星对地光轴指向高精度测定和星地载荷光轴指向测量误差标定的地面试验验证要求,以确保系统设计的有效性,为激光雷达遥感卫星的研制提供了技术参考。     

基于多波束偏振探测体制的星载云-气溶胶探测雷达设计和仿真

星载激光探测载荷具有云、气溶胶垂直廓线的探测能力。国内外已有的载荷,例如美国Calipso卫星的Caliop雷达、国内“句芒号”卫星的多波束激光雷达和大气污染监测卫星的大气探测激光雷达,为单波束云-气溶胶探测,单次探测区域较窄。提出了多波束云-气溶胶探测激光雷达系统,该系统工作于800 km卫星轨道,采用多波束探测体制,扩展雷达的探测幅宽到30 km,中心波束采用双波长偏振探测获取大气气溶胶、云的垂直廓线和粒子种类,边缘波束采用单波长探测获取云垂直廓线,可极大地提高数据获取效率。采用单光子探测和模拟探测结合的探测方式,模拟探测保证探测的动态范围,单光子探测具有极高的探测灵敏度,降低雷达所需的激光能量,降低雷达的重量和功耗。最终通过模拟仿真,验证了星载多波束云-气溶胶探测雷达对典型云、气溶胶的探测效果。     

大气环境监测卫星方案设计与技术特点

大气环境监测卫星(DQ-1)是国家民用空间基础设施中长期发展规划中的科研卫星，其运行于705 km高度的太阳同步轨道，装载大气探测激光雷达(ACDL)、高精度偏振扫描仪(POSP)、多角度偏振成像仪(DPC)、紫外高光谱大气成分探测仪(EMI)及宽幅成像光谱仪(WSI)等5台遥感仪器，通过主动激光与被动高光谱、多光谱、多角度、偏振等手段结合，实现对大气CO2、细颗粒物、污染气体、云和气溶胶等要素，以及对大气环境、水环境和生态环境等进行大范围、连续、动态、全天时的综合监测;卫星CO2柱浓度探测精度优于1 ppm，为国际最高。卫星入轨后各分系统工作正常，在轨测试结果均满足要求，能够进一步提升我国大气环境综合监测、全球气候变化和农作物估产、农业灾害等应对能力，推动生态环境、气象、农业农村等领域遥感应用。本文概述了DQ-1卫星的总体设计方案，总结了卫星的主要技术特点及创新点，介绍了卫星系统在轨测试情况，并对卫星的应用前景进行了展望。     

大气探测激光雷达组网观测一致性研究

通过激光遥感获取气溶胶、云垂直分布情况，对研究气溶胶、云微物理特性、辐射强迫效应以及污染物传输等具有重大意义。在实际应用中激光雷达受激光器能量、发散角以及透过率等影响，会导致各雷达面对同一目标物探测数据不一致。随着地基大气探测激光雷达逐步规模化、标准化，对雷达组网观测一致性开展研究具有重要意义。为保证组网激光雷达数据高质量和高可靠性，在雷达系统自标定基础上，利用太阳光度计、大气分子模型获取激光雷达系统常数，确保各激光雷达回波信号定量可比。通过激光雷达组网观测进行探测目标一致性比对试验，以验证激光雷达系统探测一致性精度。结果表明：标定后，532 nm距离修正信号在1~2 km区间相对偏差从64.89%降低到22.16%，在2~5 km区间相对偏差从49.26%降低到8.90%，在9.5~11.5 km相对偏差从46.83%降低到10.91%；532 nm退偏比在1~2 km区间相对偏差从69.68%降低到20.68%，在2~5 km区间相对偏差从71.24%降低到6.69%，在9.5~11.5 km相对偏差从140.24%降低到9.02%；532 nm后向散射系数在1~2 km区间相对偏差从37.45%降低到23.63%，在2~5 km区间相对偏差从29.15%降低到21.45%，在9.5~11.5 km相对偏差从76.02%降低到24.16%。组网激光雷达数据结果一致性较好，可在多站点进行高精度探测，在气候变化研究、碳排放监测和环境研究等领域发挥重要作用，为大规模大气变化规律研究提供高质量、有效数据。     

System design and examination of spaceborne microwave rain-scatterometer

The remote sensing of precipitation, especially rain by the spaceborne weather radar is an important subject which has not been realized. The system design and examination of the spaceborne weather radar which is called as the spaceborne microwave rain-scatterometer are performed by considering user's requirements to observe rain, the restrictions derived from the interface with satellite and the state of the art and the possibility of spaceborne microwave technology. Characteristic parameters for spaceborne microwave rain-scatterometer are determined based on the user's requirements for the system. Functions and performances of each subsystem (antenna, transmitters, receivers and data transmission processor) with the detailed block diagram of the total system of spaceborne microwave rain-scatterometer are shown. All of the critical items of hardware in the development of spaceborne microwave rain-scatterometer are also discussed.     

卫星微波遥感定标技术

在简要论述微波遥感定标技术工作特点的基础上，着重分析星载有源微波遥感定标技术基本原理和关键技术，比较了各种定标方法特点，提出了若干建议。     

多光谱图像中云层及阴影的检测与消除

云层及阴影的检测是遥感应用领域的一个非常重要的问题。目前这方面的资料比较少，尤其是在被动接收条件下。提出了一种云层及阴影检测的算法，该算法的主要依据是云层及阴影覆盖区域高平滑性的特征，算法主要包括图像变换、亮度校正、云层及阴影的检测、滤波四个步骤。相对于现存方法而言，优点在于整个算法适合主被动接收条件，算法的处理比较简单，算法实现过程中没有很苛刻的参数选择，算法的适用范围较广。仿真结果不仅验证了上面的分析，而且表明该算法去云层及阴影的效果比较理想。     

Potential climatic impact of organic haze on early Earth

We have explored the direct and indirect radiative effects on climate of organic particles likely to have been present on early Earth by measuring their hygroscopicity and cloud nucleating ability. The early Earth analog aerosol particles were generated via ultraviolet photolysis of an early Earth analog gas mixture, which was designed to mimic possible atmospheric conditions before the rise of oxygen. An analog aerosol for the present-day atmosphere of Saturn's moon Titan was tested for comparison. We exposed the early Earth aerosol to a range of relative humidities (RHs). Water uptake onto the aerosol was observed to occur over the entire RH range tested (RH=80-87%). To translate our measurements of hygroscopicity over a specific range of RHs into their water uptake ability at any RH < 100% and into their ability to act as cloud condensation nuclei (CCN) at RH > 100%, we relied on the hygroscopicity parameter κ, developed by Petters and Kreidenweis. We retrieved κ=0.22?±0.12 for the early Earth aerosol, which indicates that the humidified aerosol (RH < 100 %) could have contributed to a larger antigreenhouse effect on the early Earth atmosphere than previously modeled with dry aerosol. Such effects would have been of significance in regions where the humidity was larger than 50%, because such high humidities are needed for significant amounts of water to be on the aerosol. Additionally, Earth organic aerosol particles could have activated into CCN at reasonable-and even low-water-vapor supersaturations (RH > 100%). In regions where the haze was dominant, it is expected that low particle concentrations, once activated into cloud droplets, would have created short-lived, optically thin clouds. Such clouds, if predominant on early Earth, would have had a lower albedo than clouds today, thereby warming the planet relative to current-day clouds.     

空间主动光电遥感现状及发展

空间主动光电遥感技术在空间对地观测和深空探测等领域具有广阔的应用前景,探测对象包括地球和地外天体三维地形、地球植被垂直分布、大气气溶胶与云的垂直分布、大气温湿廓线、大气风廓线和特殊气体浓度等。为系统梳理空间主动光电遥感技术,综合分析了国内外空间主动光电高程探测载荷和大气垂直廓线探测载荷的发展历史和现状,提出了未来我国在多波束单光子三维地形探测、高光谱分辨率激光大气探测、差分吸收激光大气探测、激光掩星大气探测和激光海洋探测领域开展更深入研究的建议。     

星载降水测量雷达参数对反演结果的影响

星载降水测量雷达属于主动式遥感仪器,具有较高的径向分辨率,可以获得降水云内部的三维信息。文中研究星载降水测量雷达地面反演中常用的衰减订正算法——KZS算法,对该算法进行仿真分析,并在此基础上进一步仿真分析雷达参数对反演结果的影响。仿真结果表明,该算法具有较高的工程应用价值。